JP7144346B2

JP7144346B2 - 遠隔測定システム、および、遠隔測定方法

Info

Publication number: JP7144346B2
Application number: JP2019053710A
Authority: JP
Inventors: 隆浩長井; 克彦平野; 亮介小林
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: JP2020153868A

Description

本発明は、遠隔測定システム、および、遠隔測定方法に係わる。

人間の立ち入りが困難な災害現場などの過酷環境では、遠隔地にいるオペレータがロボットを遠隔操作して、未知な作業対象物の把持、切断、穿孔などの作業を行う。
特許文献１には、遠隔反力の測定に関する技術として、レーザ光を中に取り込むように構成される光ファイバの先端に結合された圧力依存光学異方性を有するセンサを用いることで、元の光源との波長のシフトに基づいて、センサにかかる圧力を測定する技術が開示されている。

特開２０１６－１７３３６５号公報

放射線が発生する過酷な環境では、放射線に耐性がない電子機器を搭載したセンサでは、測定が困難である。そこで、圧電素子を用いて遠隔で反力を測定することで、耐性のあるセンサにより測定が可能となる。
しかし、圧電素子を用いるようなセンサや、特許文献１のようなレーザー光の光源を用いる機器では、測定処理を動作させるための電源ケーブルの敷設が必要になっていた。そのため、機器の筐体が煩雑になってしまい、作業現場での機器の取り回しに苦労する。

そこで、本発明は、放射線環境において簡易な構成で測定を行うことを、主な課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の遠隔測定システムは、以下の特徴を有する。
本発明は、遠隔制御されるロボットに関するデータを測定するセンサ部と、前記センサ部による測定結果を示す光信号を光ファイバを介して受光する分析装置とを含めて構成されており、
前記センサ部が、
放射線を受けて自発光する放射線自発光素子と、
前記放射線自発光素子から入射される光を反射光として反射するミラーと、
前記ロボットにかかる反力を受けて、入射される光が前記ミラーで反射するまでの距離が変位する変形部と、
前記ミラーからの反射光を前記光ファイバに伝送する光学結合部とを備えており、
前記分析装置が、
前記光ファイバを介して受光した光信号を分析することで、波長スペクトルを求める受光分析部と、
前記波長スペクトルにおける波長の変化量から、前記ロボットにかかる反力を推定する反力推定部とを有することを特徴とする。
その他の手段は、後記する。

本発明によれば、放射線環境において簡易な構成で測定を行うことができる。

本発明の一実施形態に関する遠隔測定システムの構成図である。本発明の一実施形態に関するセンサ部の構成図である。本発明の一実施形態に関する反力を受けて変形したセンサ部の構成図である。本発明の一実施形態に関する分析装置の第１例を示す構成図である。本発明の一実施形態に関する分析装置の第２例を示す構成図である。本発明の一実施形態に関する分析装置の第３例を示す構成図である。本発明の一実施形態に関する受光分析部が分析した波長スペクトルのグラフである。本発明の一実施形態に関する受光分析部が分析した第２の波長スペクトルのグラフである。本発明の一実施形態に関する３軸の反力を測定するセンサ部の構成図である。本発明の一実施形態に関する図９のセンサ部の変形例を示す構成図である。本発明の一実施形態に関するセンサ部が測定する３軸の第１例である。本発明の一実施形態に関するセンサ部が測定する３軸の第２例である。本発明の一実施形態に関する図９のセンサ部からの光信号を分析した結果の波長スペクトルのグラフである。本発明の一実施形態に関する図１０のセンサ部からの光信号を分析した結果の波長スペクトルのグラフである。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、遠隔測定システムの構成図である。遠隔測定システムは、ロボット１００のセンサ部１と分析装置６０とが光ファイバ８で接続されて構成される。
作業環境２００は、例えば、高放射線環境などの過酷な環境である。ロボット１００は、作業環境２００の内部で切断、穿孔などの作業を行う遠隔作業装置である。なお、図１ではマニピュレータ型のロボット１００を例示している。ロボット１００のロボットハンド１ｈは、作業対象である接触対象１０１に作用することで、反力３を受ける。
センサ部１は、ロボットハンド１ｈが受けた反力３を測定し、その測定結果を示す光信号を光ファイバ８を介して分析装置６０に通知する。

分析装置６０は、ロボット１００の遠隔作業を支援する監視装置であり、センサ部１から受信した光信号を分析することで、ロボット１００に関する各種測定データを取得する。
分析装置６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、ハードディスクなどの記憶手段（記憶部）と、ネットワークインタフェースとを有するコンピュータとして構成される。
このコンピュータは、ＣＰＵが、メモリ上に読み込んだプログラム（アプリケーションや、その略のアプリとも呼ばれる）を実行することにより、各処理部により構成される制御部（制御手段）を動作させる。

図２は、センサ部１の構成図である。センサ部１は、放射線自発光素子２と、変形部４と、全反射ミラー５と、ハーフミラー６と、光学結合部７とを有する。
放射線自発光素子２は、周辺線量をもとに自発光する光源であり、例えば、シンチレータ、夜光塗料、放射線により発光する素子として構成される。とくにシンチレータは、周辺線量への応答性が早く、自発光のレスポンスがよいので放射線自発光素子２に適している。
ハーフミラー６は、放射線自発光素子２からの入射光を全反射ミラー５に通過させる。全反射ミラー５は、ハーフミラー６からの入射光を反射する。光学結合部７は、全反射ミラー５からの反射光を結合させて、光ファイバ８に出力する。
変形部４は、全反射ミラー５とハーフミラー６との間に配置され、反力３を受けて変形する機構（例えばバネ）である。

図３は、反力３を受けて変形したセンサ部１の構成図である。図２の全反射ミラー５の位置が、図３では反力３に押し出される側（図示では右側）に移動している。
全反射ミラー５とハーフミラー６との間の距離は、反力３の大きさに応じて変位する。よって、反射光の波長は変形部４の距離に応じてシフト（変化）する。
なお、変形部４の変形機構は、前記した全反射ミラー５とハーフミラー６とを用いるファブリペロー干渉計により構成されてもよいし、反力３を受けて反射光の波長がシフトするような他の機構を用いてもよい。また、変形部４の変形機構は、反力３の大きさに応じて変位するものの代わりに、温度などの別の測定データの大きさに応じて変位するものを用いてもよい。

以下、分析装置６０の様々な例を説明する。
（例１）図４の分析装置６１は、受光分析部９と、反力推定部１０とを有する反力３の測定装置である。
（例２）図５の分析装置６２は、受光分析部９と、周辺線量推定部１１と、装置寿命推定部１２とを有する周辺線量および装置寿命の測定装置である。
（例３）図６の分析装置６３は、受光分析部９と、反力推定部１０と、周辺線量推定部１１と、装置寿命推定部１２とを有する反力３、周辺線量および装置寿命の測定装置である。この分析装置６３は、分析装置６１の機能と分析装置６２の機能とを併せて備える構成であり、受光分析部９が１つで済む。

図７は、受光分析部９が分析した波長スペクトルのグラフである。
受光分析部９は、センサ部１から受光した光信号の発光波長を分析して波長スペクトル７１ａ，７１ｂを求める。受光分析部９は、分光装置またはスペクトルアナライザとして構成される。
波長スペクトル７１ａ，７１ｂの組み合わせについて、例えば、実線の波長スペクトル７１ａは反力３が発生する前の（作業前の）状態を示し、破線の波長スペクトル７１ｂは反力３が発生したときの（作業中の）状態を示す。
または、実線の波長スペクトル７１ａはハーフミラー６からの反射光の分析結果を示し、破線の波長スペクトル７１ｂは全反射ミラー５からの反射光の分析結果を示す。

反力推定部１０は、受光分析部９が分析した波長スペクトル７１ａ，７１ｂの波長変化量（図７での横軸の矢印）から、反力３を推定する。つまり、反力推定部１０は、波長変化量を反力３に校正（calibration）する。
この校正処理において、あらかじめ波長変化量と反力３との第１関係式を求めておき、反力推定部１０は、今回の測定対象となる波長変化量を第１関係式に代入することで、第１関係式の出力である反力３を推定することができる。
受光分析部９は、図７のグラフと、その波長スペクトル７１ａ，７１ｂの波長変化量と、推定した反力３とを画面表示することで、作業者に反力３を直観的に把握させることができる。

図８は、受光分析部９が分析した第２の波長スペクトルのグラフである。
波長スペクトル７２ａ，７２ｂの組み合わせについて、例えば、実線の波長スペクトル７２ａは作業環境２００の外部など周辺線量が弱い（作業前の）状態を示し、破線の波長スペクトル７２ｂは作業環境２００の内部など周辺線量が強い（作業中の）状態を示す。
周辺線量推定部１１は、受光分析部９が分析した波長スペクトル７２ａ，７２ｂの発光量変化量（図８での縦軸の矢印）から、周辺線量を推定する。つまり、周辺線量推定部１１は、発光量変化量を、周辺線量に校正する。
この校正処理において、あらかじめ発光量変化量と周辺線量との第２関係式を求めておき、周辺線量推定部１１は、今回の測定対象となる発光量変化量を第２関係式に代入することで、第２関係式の出力である周辺線量を推定することができる。
周辺線量推定部１１は、図８のグラフと、その波長スペクトル７２ａ，７２ｂの発光量変化量と、推定した周辺線量とを画面表示することで、作業者に周辺線量を直観的に把握させることができる。

装置寿命推定部１２は、周辺線量推定部１１が推定した周辺線量をもとに、ロボット１００が被爆した集積線量や瞬間線量を求めることで、ロボット１００の装置寿命を推定する。
以上説明したように、図６の分析装置６３は、光ファイバ８から受光した光信号から、反力３と周辺線量と装置寿命という３種のパラメータを同時に測定できる。

図９は、３軸の反力３ａ～３ｃを測定するセンサ部１の構成図である。
図９のセンサ部１は、以下に示すように、図１に示した１軸の反力３を測定するセンサ部１の機構を、多軸に拡張したものである。
・測定機構（変形部４、全反射ミラー５、ハーフミラー６）を、３組それぞれ個別に備える。
・反射光を受ける波長フィルタ２０ａ～２０ｃを、３組それぞれ個別に備える。各波長フィルタ２０ａ～２０ｃは、放射線自発光素子２からファブリペロー干渉計（全反射ミラー５、ハーフミラー６）への入射光に対して、軸ごとに異なる波長を透過する光学フィルタである。
・その他の機構（放射線自発光素子２、光学結合部７、光ファイバ８）は、３軸で共通に１つ備える。光学結合部７は、軸ごとに異なる波長の反射光を全反射ミラー５から受け、３軸それぞれの反射光を光ファイバ８に出力する。光ファイバ８は、各波長フィルタ２０ａ～２０ｃが透過した複数の波長の光信号を同時に送信できる、波長多重が可能なケーブルである。
この図９のセンサ部１は、放射線自発光素子２を１つ備えるだけで済むので、センサ部１の小型化に適している。

図１０は、図９のセンサ部１の変形例を示す構成図である。
図９のセンサ部１は、３軸それぞれの波長フィルタ２０ａ～２０ｃを設けることにより、３軸それぞれの反射光間の干渉を予防していた。一方、図１０のセンサ部１は、３軸それぞれの放射線自発光素子２ａ～２ｃが他の放射線自発光素子２ａ～２ｃとは異なる波長の光信号を自発光する。また、個別の放射線自発光素子２ａ～２ｃに対応して、光学結合部７ａ～７ｃも個別に備える。これにより、反射光間の干渉を防げるので、波長フィルタ２０ａ～２０ｃを省略できる。
この図１０のセンサ部１は、放射線自発光素子２を軸ごとに個別に備えるので、反射光の分析精度を高くできる。

図１１は、センサ部１が測定する３軸の第１例である。図１１では図示省略したセンサ部１は、ロボットハンド１ｈを押し引きする方向のＺ軸と、Ｚ軸に垂直な平面のＸ軸，Ｙ軸の合計３軸（独立した３方向の反力３）について、ロボットハンド１ｈの平行運動を測定する。
図１２は、センサ部１が測定する３軸の第２例である。センサ部１は、図１１で説明したＸ軸，Ｙ軸の平行運動に加え、ロボットハンド１ｈの回転軸をＺ軸とした合計３軸を測定する。
このように、センサ部１は、多軸の反力３を測定するときに、様々な軸を扱ってもよい。

分析装置６０は、３軸それぞれの波長の光信号を受信し、図４で前記した１軸の反力推定部１０による反力３を推定する処理を３軸それぞれ個別に行うことで、３軸の反力３を求める。
図１３は、図９のセンサ部１からの光信号を分析した結果の波長スペクトルのグラフである。反力推定部１０は、第１波長スペクトル８１ａ，８１ｂ間の波長変化量９１を第１の反力３に校正し、第２波長スペクトル８２ａ，８２ｂ間の波長変化量９２を第２の反力３に校正し、第３波長スペクトル８３ａ，８３ｂ間の波長変化量９３を第３の反力３に校正する。

図１４は、図１０のセンサ部１からの光信号を分析した結果の波長スペクトルのグラフである。反力推定部１０は、第１波長スペクトル８４ａ，８４ｂ間の波長変化量９４を第１の反力３に校正し、第２波長スペクトル８５ａ，８５ｂ間の波長変化量９５を第２の反力３に校正し、第３波長スペクトル８６ａ，８６ｂ間の波長変化量９６を第３の反力３に校正する。

以上説明した本実施形態では、センサ部１が光ファイバ８を介して分析装置６０に光信号を送信するための光源として、放射線自発光素子２を用いることを第１の特徴とする。
この第１の特徴により、センサ部１に光源を動作させるための電源ケーブルの敷設が不要となり、ロボット１００を簡素化できる。

また、本実施形態では、センサ部１の変形部４および全反射ミラー５が反力３を受けて反射光の波長をシフトさせるように構成されることを第２の特徴とする。
この第２の特徴により、分析装置６０の反力推定部１０と、周辺線量推定部１１と、装置寿命推定部１２とがそれぞれ光ファイバ８からの光信号をもとに、異種の測定パラメータを同時に測定できる。よって、測定パラメータの種類ごとに別々のセンサ部や分析装置を設ける構成に比べ、構成を小型化できる。
これらの２つの特徴により小型化された遠隔測定システムにより、作業の取り回しが良好となり、特に高放射線環境などの過酷な作業環境２００では、円滑な作業に役立つ。

なお、本発明は前記した実施例に限定されるものではなく、さまざまな変形例が含まれる。例えば、前記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。
また、前記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記録装置、または、ＩＣ（Integrated Circuit）カード、ＳＤカード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
さらに、各装置を繋ぐ通信手段は、無線ＬＡＮに限定せず、有線ＬＡＮやその他の通信手段に変更してもよい。

１センサ部
１ｈロボットハンド
２放射線自発光素子
３反力
４変形部
５全反射ミラー（ミラー）
６ハーフミラー
７光学結合部
８光ファイバ
９受光分析部
１０反力推定部
１１周辺線量推定部
１２装置寿命推定部
２０波長フィルタ（光学フィルタ）
６０～６３分析装置
１００ロボット
１０１接触対象
２００作業環境

Claims

遠隔制御されるロボットに関するデータを測定するセンサ部と、前記センサ部による測定結果を示す光信号を光ファイバを介して受光する分析装置とを含めて構成されており、
前記センサ部は、
放射線を受けて自発光する放射線自発光素子と、
前記放射線自発光素子から入射される光を反射光として反射するミラーと、
前記ロボットにかかる反力を受けて、入射される光が前記ミラーで反射するまでの距離が変位する変形部と、
前記ミラーからの反射光を前記光ファイバに伝送する光学結合部とを備えており、
前記分析装置は、
前記光ファイバを介して受光した光信号を分析することで、波長スペクトルを求める受光分析部と、
前記波長スペクトルにおける波長の変化量から、前記ロボットにかかる反力を推定する反力推定部とを有することを特徴とする
遠隔測定システム。
遠隔制御されるロボットに関するデータを測定するセンサ部と、前記センサ部による測定結果を示す光信号を光ファイバを介して受光する分析装置とを含めて構成されており、
前記センサ部は、
放射線を受けて自発光する放射線自発光素子と、
前記放射線自発光素子から入射される光を反射光として反射するミラーと、
前記ロボットにかかる反力を受けて、入射される光が前記ミラーで反射するまでの距離が変位する変形部と、
前記ミラーからの反射光を前記光ファイバに伝送する光学結合部とを備えており、
前記分析装置は、
前記光ファイバを介して受光した光信号を分析することで、波長スペクトルを求める受光分析部と、
前記波長スペクトルにおける発光量の変化量から、前記ロボットの周辺線量を推定する周辺線量推定部とを有することを特徴とする
遠隔測定システム。
遠隔制御されるロボットに関するデータを測定するセンサ部と、前記センサ部による測定結果を示す光信号を光ファイバを介して受光する分析装置とを含めて構成されており、
前記センサ部は、
放射線を受けて自発光する放射線自発光素子と、
前記放射線自発光素子から入射される光を反射光として反射するミラーと、
前記ロボットにかかる反力を受けて、入射される光が前記ミラーで反射するまでの距離が変位する変形部と、
前記ミラーからの反射光を前記光ファイバに伝送する光学結合部とを備えており、
前記分析装置は、
前記光ファイバを介して受光した光信号を分析することで、波長スペクトルを求める受光分析部と、
前記波長スペクトルにおける波長の変化量から、前記ロボットにかかる反力を推定する反力推定部と、
前記波長スペクトルにおける発光量の変化量から、前記ロボットの周辺線量を推定する周辺線量推定部とを有することを特徴とする
遠隔測定システム。
前記分析装置は、さらに、前記周辺線量推定部で推定された周辺線量から前記ロボットの装置寿命を推定する装置寿命推定部を有することを特徴とする
請求項２または請求項３に記載の遠隔測定システム。
前記反力推定部は、推定した反力と、その推定に用いた前記波長スペクトルのグラフとを表示することを特徴とする
請求項１または請求項３に記載の遠隔測定システム。
前記センサ部は、前記ミラーと、前記変形部と、光学フィルタとの組み合わせを複数有しており、
各光学フィルタは、各前記ミラーからの反射光に対して互いに異なる波長を透過することを特徴とする
請求項１または請求項３に記載の遠隔測定システム。
前記センサ部は、前記放射線自発光素子と、前記ミラーと、前記変形部との組み合わせを複数有しており、
各前記放射線自発光素子は、互いに異なる波長の自発光を各前記ミラーに入射することを特徴とする
請求項１または請求項３に記載の遠隔測定システム。
前記放射線自発光素子は、シンチレータにより発光する素子であること
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の遠隔測定システム。
遠隔制御されるロボットに関するデータを測定するセンサ部と、前記センサ部による測定結果を示す光信号を光ファイバを介して受光する分析装置とを含めて構成される遠隔測定システムにより実行され、
前記センサ部は、放射線自発光素子と、ミラーと、変形部と、光学結合部とを備えており、
前記分析装置は、受光分析部と、反力推定部とを備えており、
前記放射線自発光素子は、放射線を受けて自発光し、
前記ミラーは、前記放射線自発光素子から入射される光を反射光として反射し、
前記変形部は、前記ロボットにかかる反力を受けて、入射される光が前記ミラーで反射するまでの距離が変位し、
前記光学結合部は、前記ミラーからの反射光を前記光ファイバに伝送し、
前記受光分析部は、前記光ファイバを介して受光した光信号を分析することで、波長スペクトルを求め、
前記反力推定部は、前記波長スペクトルにおける波長の変化量から、前記ロボットにかかる反力を推定することを特徴とする
遠隔測定方法。